книги из ГПНТБ / Кулагин Л.В. Форсунки для распыливания тяжелых топлив

исходит под действием реактивной силы струи, вытека­ ющей из тангенциально направленных отверстий.

Тепловая энергия для подготовки топлива использу­ ется в испарительных форсунках, которые обеспечивают распыливание до размеров молекул. Обычно испаритель­ ные форсунки представляют собой систему нагреватель­ ных трубок, расположенных в факеле. Топливо, проходя по этим трубкам, нагревается, испаряется и в парооб­ разном состоянии поступает в зону горения.

Испарительно-газификационными форсунками иногда называют комплекс конструктивных элементов, устанав-

Рис. 3. Схемы ротационных форсунок:

а — открытая чашечная; б — закрытая дисковая; в — многоконтур­ ная; г — реактивная

лйваемых в топках и обеспечивающих сжигание топлива без сажистого углерода. Этими элементами могут быть керамические вставки, установленные вдоль факела, меха­ нические стабилизаторы пламени, системы, создающие ре­ циркуляцию газов, конструкции топочных устройств с подачей топлива на раскаленные стенки камеры сгора­ ния и т. д. В таких установках топливо подается меха­ ническими, пневматическими или ротационными форсун­ ками. Если испарительные форсунки надежно работают только на легких сортах топлива, то топочные устрой­ ства, обеспечивающие газификацию топлива в самом факеле, можно применять при сжигании тяжелых и сверх­ тяжелых топлив.

На основании экспериментальных исследований по влиянию ультразвука на распыливание топлив в насто­

баний сопла или распыливающего агента. В зависимости от источника колебания различают форсунки с электри-

10

ческими и аэродинамическими генераторами колебания. В форсунках с электрическими генераторами топливной струе сообщают колебания через промежуточные эле­ менты, преобразующие высокочастотные электрические или магнитные колебания в механические колебания сопла распылителя. Такие форсунки рассчитаны на не­ большую производительность и для работы на легких топливах. В форсунках с аэродинамическими генерато­ рами, получивших название акустических форсунок, ультразвуковые колебания создают воздушной струей, воздействующей на поток топлива. Эти форсунки исполь­ зуют для тяжелых топлив с максимальной производи­ тельностью до 4000 кг/ч. Так как в акустических фор­ сунках дробление топлива осуществляется вследствие использования энергии воздушной струи, то эти форсунки можно рассматривать как пневматические с колебатель­ ным движением воздушного потока.

Разрабатывают новые схемы форсунок с распыливанием топлива в результате действия электрического заряда. Сообщить заряд топливу можно несколькими способами: индуктивным, способом захвата электронов или ионов при прохождении струи или капель через коронный разряд и контактно-передаточным. В зависи­ мости от способа заряда топлива изготовлены и испытаны форсунки различных конструкций, однако широкого рас­

применяя различные виды энергии одновременно или последовательно. При работе таких форсунок на одних режимах распыливание производится по одной схеме, а на других — по другой. Часто применяют комбиниро­ ванные паро- и пневмомеханические форсунки, в которых при малых расходах для распыливания топлива исполь­ зуют пар или воздух, а на номинальной нагрузке распы­ ливание осуществляют, увеличивая давление подачи топ­ лива. В комбинированных форсунках с акустическими излучателями при малых расходах топлива распыливание происходит под действием ультразвуковых колебаний воздушной струи; при максимальных расходах форсунка работает как механическая. В ротационных форсунках для дробления топлива на капли используется как меха­ ническая энергия, получаемая топливом от вращающейся

11

чаши, так и кинетическая энергия воздушного потока, поступающая в зону распиливания.

Несмотря на различные формы энергии, используемой для распыливания топлива, и многочисленные варианты конструкций форсунок, в механизме распыливания топ­ лива форсунками любой системы существенной разницы нет. Исключение составляют только испарительные фор­ сунки, так как в них происходит не дробление струи на отдельные капли, а испарение, и вся энергия, необхо­

состояние, сообщается в виде тепла. Затрата этой энергии в значительной степени определяется теплоемкостью и скрытой теплотой парообразования топлива.

При работе механических форсунок с увеличением скорости истечения сплошная струя топлива распадается на капли. Изменение формы капель в процессе их рас­ пада можно проследить по микрофотографиям, приве­ денным на рис. 4 [7]. С повышением скорости истечения топлива распад струи происходит на некотором рассто­ янии от сопла, и основной причиной распада является потеря устойчивости струи вследствие осесимметричных колебаний. Дальнейшее повышение скорости истечения приводит к возникновению волновых колебаний, которые интенсивнее воздействуют на струю, и поэтому распад жидкости происходит ближе к соплу и на более мел­ кие капли. При высоких относительных скоростях исте­ чения топлива уже невозможно заметить какие-то строго периодические волновые колебания. Деформации струи становятся запутанными с образованием на ее поверх­ ности малых волн, в результате воздействия которых

12

частицы топлива срываются с поверхности струи, что резко интенсифицирует процесс распиливания.

Схема распада топлива на капли под действием малых колебаний получила наиболее широкое распространение, но не является единственной. Некоторые исследователи строят теорию распыливания жидкости на предположении, что основной причиной разрушения единого потока жидкости и распада его на капли являются кавитационные процессы. При высокой скорости течения топлива в сопловом канале статическое давление снижается, и при значении, соответствующем упругости паров топлива, в потоке жидкости образуются кавитационные зоны в виде отдельных пузырьков. Эти пузырьки при выходе из сопла, где происходит восстановление давления до атмо­ сферного, исчезают, разрушая целостность струи. Как показали экспериментальные исследования, образование кавитационных полостей носит периодический характер с частотой, зависящей от скорости потока.

При распыливании тяжелых топлив, содержащих, как правило, большой процент влаги, вследствие предвари­ тельного подогрева топлива создаются условия для быст­ рого вскипания воды в зоне горения, что способствует лучшему дроблению как струи в целом, так и отдельных частиц. Поэтому некоторые исследователи рекомендуют вместо отстаивания влаги перед распыливанием произво­ дить тщательное перемешивание топлива для получения однородной мазуто-водяной суспензии.

При дроблении топливной пленки, создаваемой цен­ тробежной форсункой, имеют место те же процессы, что и в распыливании сплошной струи. При малой скорости истечения пленка сокращается и под действием сил поверхностного натяжения стягивается в одну струю, которая затем распадается на капли. С повышением ско­ рости истечения на поверхности пленки возникают волны, которые по мере удаления от сопла интенсивно воздей­ ствуют на пленку, разрушая ее на отдельные частицы (рис. 5). При этом с повышением вязкости топлива пере­ ход от осесимметричных колебаний к волновым и к распыливанию топлива непосредственно у сопла без видимой части пленки наступает при больших значениях давле­ ния, а следовательно, и скоростей истечения топлива. Так, например, для центробежной форсунки с тремя тангенциальными отверстиями диаметром 0,83 мм, камерой закручивания диаметром 7 мм и соплом диаметром 2 мм

13

ном состоянии. Механические примеси, а также карбены и карбоиды, нарушая целостность топливной массы, снижают внутреннее сопротивление топлива дроблению. В процессе нагревания или длительного хра­ нения мазутов дисперсность карбенов и карбоидов изме­ няется, что значительно осложняет получение стабильных характеристик тонкости распыливания мазутов. С одним и тем же значением вязкости, плотности и коэффициента поверхностного натяжения топливо, содержащее мелко­ дисперсные частицы, в процессе распыливания дробится

капель, образованием струй и последующим их дробле­ нием и образованием топливной пленки и дальнейшим ее разрывом на отдельные частицы (рис. 8). Процесс обра­ зования капельного, струйного и пленочного распылива­ ния в зависимости от скорости схематически можно представить так. При очень малой скорости течения топливо, двигаясь вдоль образующей стакана-распыли­ теля, собирается на его кромке в форме тора. По мере поступления топлива диаметр тора увеличивается и под воздействием центробежных сил тор деформируется. В ря­ де мест поверхностный слой прорывается, и происходит отрыв отдельных капель, количество которых увеличи­ вается с ростом скорости и расхода топлива. С увели-

15

также происходит от волновых возмущений. С повыше­ нием разности потенциалов на распылителе возрастает скорость движения топлива. Кроме того, при электро­ статическом распыливании изменяется прочность капель вследствие воздействия электрического давления, на­ правленного нормально к их поверхности. Внутреннее давление заряженной капли создается в результате ряда причин, наиболее существенной из которых является электростатическое притяжение некомпенсированных свободных ионов и диполей капель с предметами, имею­ щими противоположный заряд.

Распад струй, пленок и отдельных капель на более мелкие является одной из сложнейших проблем капил­ лярной гидродинамики, которая привлекает внимание многих исследователей. В этой области теоретические работы развиваются в нескольких направлениях: 1) изу­ чение распиливания топлива, основанное на использо­ вании метода малых возмущений; 2) определение раз­ меров капель на базе предположения о дроблении струи под действием турбулентных пульсаций; 3) установление предельного размера капель на основании равенства сил поверхностного натяжения и аэродинамического давления;

4)нахождение условия распада вследствие явления

кавитации; 5) определение вероятного размера капель на основании предположения о равенстве масс и энергии жидкости до и после распада струи.

Наибольшее количество работ относится к первому направлению.

Большое значение для дальнейшего углубления тео­ рии распада струи под воздействием малых возмущений имеют работы по ультразвуковым генераторам. Согласно результатам исследования гидро- и аэродинамических излучателей следует, что вихревой свисток, конструкция которого напоминает центробежную форсунку, генери­ рует колебания, частоты которых зависят от основных размеров свистка и могут достигать ультразвукорых. Проведя аналогию с центробежной форсункой, можно считать, что и она также генерирует колебания, и при некоторых частотах, определяемых размерами и режимом работы форсунки, эти колебания способствуют дроблению струи на капли. Такое предположение авторы допускают на основании анализа многочисленных опытных данных, в которых периодически встечаются резкие отклонения значений тонкости распыливания от общей зависимости^

При этом повторные замеры подтвердили наличие таких «провалов» кривой. Например, при распиливании топ­ лива центробежной форсункой под давлением 1 МН/м2 медианный диаметр капель имеет значительно меньшую величину (рис. 9) по сравнению с диаметрами капель

Несмотря на большое количество теоретических ис­ следований в области рапыливания струи, основанных на методе малых возмущений, еще не получены уравнения для количественной оценки качества распыливания в ус­ ловиях, близких к прак­ тическим.

со следами утолщений [10]. Затем формирование капель происходит в процессе относительного движения и ре­ шающее воздействие на диаметр капель оказывают аэро­ динамические силы. Приравнивая силу аэродинамиче­ ского давления Fa силе поверхностного натяжения Fa, можно найти максимальный диаметр капель. Силы Fa и Fa определяют по формулам

оокр

18

Диаметры капель, рассчитанные по уравнению (1), получаются завышенными по сравнению с максимальными

деления степени распыливания и на базе гипотезы внутриканального распада (кавитации). Из-за ограниченного числа опытных данных эта схема не получила широкого

ливание, заставляют искать новые пути определения качества процесса дробления. Поэтому в ряде работ, не вдаваясь в рассмотрение физики процесса, находят ана­

решения делают следующие допущения: принимают, что процесс изотермический, отсутствует массообмен между топливом и воздухом, нет потерь энергии. Рассматривая каплю как совокупность молекул и применяя для расчета распределений уравнения статистической физики, полу-